磁混凝在水与废水处理领域的应用王东升

第6卷第3期环境工程学报Vol．6，No．32012年3月ChineseJournalofEnvironmentalEngineeringMar．2012磁混凝在水与废水处理领域的应用王东升张明肖峰(中国科学院生态环境研究中心环境水质学国家重点实验室，北京100085)摘要磁技术作为一种高效的分离、净化方法在水与废水处理领域的作用和地位日益凸显，磁性接种、磁性吸附等水处理方法已受到了广泛关注;高场强、低能耗的磁分离器的相继问世和不断完善为高效稳定地进行磁分离提供了必要条件。基于上述考虑，将传统的混凝过程与磁技术有机结合而产生的磁混凝工艺将成为混凝发展的新方向之一。本文系统综述了磁混凝在水处理中的研究和应用，从颗粒物在磁场和重力场中的界面过程、相互作用机制，磁混凝在国内外的研究现状，以及磁分离器的研究进展等角度展开讨论，探讨了该技术面临的问题，并展望了其发展前景。关键词磁混凝水与废水处理磁性接种磁吸附磁分离器中图分类号X52;TQ085文献标识码A文章编号1673-9108(2012)03-0705-09ApplicationofmagneticcoagulationinwaterandwastewatertreatmentWangDongshengZhangMingXiaoFeng(StateKeyLaboratoryofEnvironmentalAquaticChemistry，ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences，ChineseAcademyofSciences，Beijing100085，China)AbstractMagnetictechnique，ahigh-efficiencyseparationandpurificationassistance，isplayinganin-creasinglysignificantroleinwaterandwastewatertreatmentinrecentyears．Manymagnetictechniques，suchasmagneticseeding，magneticadsorption，haveattractedwidelyattentionsinwaterandwastewatertreatment．Mo-reover，magneticseparatorswithhighintensityandlowenergyconsumptionwereimprovedsuccessivelyandbe-camemoreandmorepractical．Therefore，themagneticcoagulation，acombinationofthetraditionalcoagulationtechniqueandthemagnetictechnique，willbeapromisingorientationforthecoagulationdevelopment．Thisarti-clesystematicallyreviewedresearchandapplicationsofthemagneticcoagulation，fromstandpointsofmecha-nisms，presentprocessandachievementsathomeandabroad，discusseditskeyproblemsandchallenges，andfi-nallyputforwardtheoverallprospect．Keywordsmagneticcoagulation;waterandwastewatertreatment;magneticseeding;magneticadsorp-tion;magneticseparators基金项目:国家自然科学基金资助项目(50921064，51025830)收稿日期:2010－11－14;修订日期:2011－01－04作者简介:王东升(1970～)，男，博士，研究员，主要从事环境水质学、混凝科学与技术领域的研究工作。E-mail:[e-mail]磁分离是借助外加非均匀磁场分离不同敏感度磁性颗粒物的物理过程，可用于特定固液体系的浓缩、纯化及精选。磁分离作为一项较为成熟的技术已被普遍用于矿选和瓷土工业。早在1845年，美国专家就发表了工业磁选机的专利［1］。随着磁学理论和技术的发展及完善，高效、实用的磁分离设备已经渗透到各个领域，如生命科学、污染控制、石油工业，等等。自20世纪60年代，前苏联在处理钢铁厂废水的过程中引入了磁场以后，将磁分离应用于水与废水的处理过程开始受到关注。永磁分离器、高梯度磁分离器和超导磁分离器等各种磁分离装置的相继问世，磁分离在实际工程中的应用越来越广泛。混凝作为水与废水处理过程中的常规工艺，主要用于去除水体中的各种颗粒物和有机物等污染物;通常情况下，去除率取决于污染物物理化学性质和混凝剂的水解形态分布特征。一直以来，科研人员都致力于通过实验找到最佳混凝剂投量和待处理水体的最适宜pH值等混凝条件来强化混凝，或尝试合成具有更高正电荷和更强的网扑卷扫、吸附架桥能力的新型混凝剂或絮凝剂［2］。此外，混凝过程中，混凝剂的各形态对混凝机理的影响、混凝絮体的表征及性质研究也是混凝领域的研究热点［3］。磁混凝是将混凝这一复杂的物理化学乃至生物环境工程学报第6卷过程与磁分离这一物理过程有机结合而产生的一项新兴的水处理工艺。本文基于混凝理论和磁场理论，以及目前人们对混凝和磁分离系统在环境污染控制中的认识，讨论了磁混凝的发展现状，关注其对水与废水处理效率的改善。1磁混凝机制及其界面过程磁分离是在外部磁场的作用下，将不同磁性的颗粒物进行分离的物理过程。要研究颗粒物在磁场中的运动过程须首先明确颗粒物的受力情况，包括磁力、重力、范德华力、静电作用力、磁偶极子力和水动力等各种作用力;同时，还要分析各种外部条件，如磁感应强度、流体流速以及颗粒物尺寸分布等，对磁分离效率的影响。1．1磁性颗粒物受力分析将各种作用力分为外部作用力和内部作用力两大类，前者主要是指磁力和重力，后者则包括范德华力、静电作用力、磁偶极子力和流体动力学作用等［4］。若忽略颗粒物的内部作用力，在受到相同外力作用的情况下，它们可获得相同的流速。2种外部作用力的定量计算公式如表1所示。表1磁场中磁性颗粒物受到的外部作用力Table1Asummaryofexternalforcesactingonparticlesinmagneticfields外部作用力说明重力Fg=ρpVpgFg:重力;ρp:颗粒密度;Vp:颗粒体积;g:重力加速度;Fb=－ρVpgFb:浮力;ρ:液体密度;Fd=－CDApρv22g∧=－Fg－Fb在忽略惯性力、雷诺数远小于1的前提假设下，认为颗粒物在液体中立即加速至其最终沉降速度，在此过程中颗粒受到拖曳力Fd的作用Ap:颗粒物的截面面积;CD:拖曳系数，CD=24R=242ρvaη，其中，R为雷诺数，a为颗粒半径，η为动力粘度磁力Fm=43πa3χμ0HHFm:半径为a的球形颗粒所受的磁力作用;χ:体积磁化率;μ0:自由空间的磁透率;H:磁感应强度的大小磁场中絮凝颗粒内部作用力可通过一系列公式与模型进行理论计算和模拟［5］。与外力不同，范德华力、静电斥力和磁偶极子力等内部作用力与颗粒物的间距、运动方向、磁场方向等密切相关。在一定作用范围内，磁偶极子作用强于范德华力、静电引力/斥力，是主导作用力;随着颗粒物彼此接近、当间距小于一定值时，磁偶极子力的大小不再增加，而范德华力和静电作用力的大小仍随距离减小而增加。此外，颗粒碰撞过程中所受的流体阻力也可通过计算得到，值得注意的是，磁场中颗粒的流体淌度函数(粘度降与流体粘度之比)极限值与非磁性场中对刚性球体的淌度函数计算结果相吻合。颗粒物在磁场中的综合受力情况如图1所示。对于磁性较强的颗粒，磁力超过其他竞争力;对磁性较弱或非磁性的颗粒，其他竞争力超过磁力，最终合力决定了流体中颗粒物的运动轨迹，物料可因此得以分离。为了有效地在磁场中分离出目的颗粒，必要的条件是:作用在目标颗粒上的磁力必须大于其他竞争力，这也是强化磁分离效果的根本依据。图1磁分离原理图Fig．1Principleofmagneticseparation1．2水体中颗粒物的物理化学性质分析颗粒物表面的带电情况对于阐释磁性颗粒物与污染物之间的相互作用机理十分重要。有研究表明，处理磁性废水的过程中，在浓度效应对洛伦兹力的影响可以忽略的情况下，悬浊液中颗粒物的脱稳可用分散相表面的电中和作用来解释［6］。颗粒物的粒径会明显影响处理效果，大粒径的607第3期王东升等:磁混凝在水与废水处理领域的应用磁粉不利于污染物的去除。首先，由于比表面积的减小引起的磁性颗粒与污染物的接触面积减少会导致磁粉吸附污染物的能力减弱，第二，磁粉容易在其完全发挥吸附、絮凝的能力之前，先因自身的大比重而在重力作用下快速沉降。陈文松［7］研究表明，磁种絮凝过程中为保证高的絮凝效率，磁粉的粒径不应大于10μm。当磁粉达到纳米尺寸时会具有超顺磁性。α-Fe、Fe3O4以及α-Fe2O3在粒径分别为5、16和20nm时即具有超顺磁性［8］。与铁磁性颗粒不同的是，超顺磁性颗粒没有磁滞效应———一旦去掉外部磁场，剩磁即消失。这一性质有助于水与废水处理过程中磁性污泥的分离，只需撤掉外部磁场即可从磁场中彻底刮去磁性污泥。Yavuz等［9］对粒径为4、12、20和300nm等的Fe3O4纳米颗粒在低梯度磁场中的分离特性进行了研究，结果表明，由于具有良好的超顺磁性、单分散性以及高比表面积，粒径为12nm的纳米晶粒能够有效除砷、明显降低处理后垃圾量。1．3磁场和水力条件的影响磁场会影响磁性颗粒的表面性质和吸附特性。由于磁性吸引作用随着磁感应强度的增大而增强，所以磁性颗粒物的团聚和沉淀能力亦会随之提高［10］。包括铁在内的许多金属和非金属化合物都会受到特定磁场的影响，其结构转变加速，但具体的机理还未完全明确［11］。在一定磁感应强度范围内，增强磁场可以提高分离效率，但当达到最佳处理效果以后，继续增加磁感应强度对改善分离效果则无明显帮助。韦朝海等［17］对混凝-磁分离的出水浊度的研究发现，当磁感应强度超过某一值以后，再增大磁感应强度，剩余浊度减少的幅度很小，甚至不再减少。Ying等［12］通过对聚苯乙烯颗粒的去除实验也得到了类似的结论。此外，从经济成本考虑，如今水与废水处理实践中应用最为普遍的仍是永磁分离器，此类磁分离装置若要产生强磁场除了需要成熟的技术和运行稳定的设备外，通常还需要以稀有贵金属作为磁源，因此不可能一味追求高强度的磁场。Ying等［12］对高梯度磁滤的研究表明，污染物的去除率会随流速的增加而下降，这是由于流体中磁性颗粒物受到的拖曳力随流速增加而增大，所以在过高的流速下磁性颗粒物不易被磁性收集器捕获而分离。Dong-WooHa等［13］用超导磁分离系统对造纸厂废水进行的磁种混凝-磁分离实验也得到了类似的结论，即，磁分离出水浊度随着通过磁场的磁性流体流速的增加而增加。然而，在实际应用时，低流速又可能导致工作效率降低。因此，考虑到工况要求，需要结合理论计算、实验验证以及实际工作经验以得到最佳流速。水体pH值会直接影响到磁性颗粒物的Zeta电位，而磁性颗粒物的浓度则会改变磁导率，因此这2个因素将影响到颗粒物的磁分离效率［14］。2磁混凝在水与废水处理中的应用磁混凝是混凝与磁技术的有机结合。在混凝前或混凝过程中，待处理水体与铁磁性物质混合而获得磁性，使磁分离成为可能。本研究主要关注3类磁混凝———磁种混凝、磁性混凝剂混凝和混凝-MIEX树脂吸附连用。2．1磁种混凝通过研究磁种与污染物的作用方式，如疏水团聚、絮凝团聚、大分子絮凝剂团聚等，人们对磁种絮凝的认识逐步加深，以此为基础的磁絮凝已在矿选、生物载体示踪和分离等领域得到了广泛的应用。而在水与废水处理中，磁性接种则通常作为传统混凝过程的前操作———非磁或弱磁性的水体通过接种